作者：Majeed Ahmad，特約作家

由于頻段數(shù)量不斷增加，5G 設(shè)計(jì)中的射頻前端 (RFFE) 變得越來越復(fù)雜。隨后，在實(shí)施載波聚合 (CA) 和多輸入多輸出 (MIMO) 技術(shù)和毫米波 (mmWave) 頻段時(shí)，需要更多天線來提供更高的數(shù)據(jù)速率。

因此，我們正在目睹 5G 天線和射頻前端模塊中更高水平的組件集成也就不足為奇了。這些模塊正在加強(qiáng)集成，以推動(dòng)多頻段 5G 通信中的更多射頻內(nèi)容。

用于 5G 設(shè)備設(shè)計(jì)的毫米波射頻前端結(jié)構(gòu)視圖。（圖片：Yole Développement）

本文將展示 5G 無線革命如何改變天線硬件及其與射頻前端設(shè)計(jì)的接口。它將解釋天線調(diào)諧等關(guān)鍵技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素，并提供業(yè)內(nèi)人士對(duì)即將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的智能天線系統(tǒng)的看法。讓我們從 5G 基站中使用的有源天線系統(tǒng) (AAS) 開始。

有源天線系統(tǒng)對(duì)于蜂窩和毫米波頻段而言，5G 天線的技術(shù)復(fù)雜性非常高。這主要是因?yàn)?5G 設(shè)計(jì)采用陣列中的多個(gè)天線模塊，信號(hào)集中在多個(gè)方向上。然而，與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須提高信號(hào)效率，同時(shí)減小天線尺寸和功耗。

當(dāng) 5G 網(wǎng)絡(luò)使用 28 GHz 至 39 GHz 的超高頻毫米波頻段傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)，這一點(diǎn)尤其需要。在毫米波通信中，由于短波長(zhǎng)和高方向性，很難將無線信號(hào)傳輸很遠(yuǎn)，這也是 5G 天線模塊極其復(fù)雜的主要原因。

因此，像恩智浦半導(dǎo)體這樣的芯片制造商正試圖通過使用多芯片模塊 (MCM) 實(shí)現(xiàn)更小、更輕的有源天線系統(tǒng)來簡(jiǎn)化大規(guī)模 MIMO (mMIMO) 部署，從而促進(jìn)更高的集成度。恩智浦的智能天線解決方案利用公司的 SiGe 技術(shù)構(gòu)建用于毫米波通信的相控陣天線系統(tǒng)。

這些有源天線系統(tǒng)具有高度集成的模擬波束形成功能，可確保 sub-6-GHz mMIMO 和早期毫米波網(wǎng)絡(luò)的大量帶寬。換言之，AAS 解決方案滿足從 6 GHz 到 40 GHz 的頻譜范圍從毫瓦到千瓦的信號(hào)功率。

有源天線系統(tǒng)通過將多個(gè)天線元件整合到一個(gè)緊湊的天線結(jié)構(gòu)中來補(bǔ)充 5G 頻譜效率。他們還采用垂直分區(qū)來更好地管理輻射方向圖控制并適應(yīng)超高速 5G 網(wǎng)絡(luò)中不斷變化的情況。

以集成設(shè)備技術(shù) (IDT) 的 AAS 解決方案為例。它包含接口放大器、低噪聲放大器 (LNA)、開關(guān)和預(yù)驅(qū)動(dòng)器，可滿足超緊湊外形的 mMIMO 通信的發(fā)送和接收要求。IDT 的AAS 解決方案具有發(fā)射和接收鏈中多個(gè)天線元件所需的放大、增益控制和保護(hù)功能。

5G 天線調(diào)諧RF 設(shè)計(jì)人員的另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素是天線調(diào)諧，可優(yōu)化寬頻率范圍內(nèi)的無線電性能。在 5G 設(shè)計(jì)中，天線調(diào)諧比以往任何時(shí)候都更加重要，因?yàn)楦嗟奶炀€必須安裝在更小的空間中，以最大限度地提高無線容量。例如，天線調(diào)諧可以恢復(fù)一些損失的無線電性能。

有兩種類型的天線調(diào)諧器。孔徑調(diào)諧器優(yōu)化了天線終端的自由空間，從而改善了發(fā)射和接收通信以及總隔離靈敏度 (TIS)。另一方面，阻抗調(diào)諧器可最大限度地減少天線和射頻前端之間的失配損耗，從而有助于補(bǔ)償環(huán)境影響。

除了天線數(shù)量的增加外，天線調(diào)諧器在 5G 系統(tǒng)中日益增加的信號(hào)處理復(fù)雜性中至關(guān)重要。具體來說，當(dāng)手機(jī)在新無線電 (NR) 標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)現(xiàn) 4 × 4 MIMO 信號(hào)時(shí)，天線調(diào)諧可以在保持智能手機(jī)電源效率和電池壽命方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

與目前的 4G 手機(jī)中的兩到四根天線相比，新款無邊框智能手機(jī)集成了四到七根天線以支持 5G 數(shù)據(jù)速率。為了應(yīng)對(duì)天線數(shù)量的增加，Skyworks 發(fā)布了寬帶 16 態(tài)天線孔徑調(diào)諧器，覆蓋 600 MHz 至 6 GHz 的帶寬，適用于 LTE Advanced Pro 以及新興的 5G 標(biāo)準(zhǔn)。

高通還推出了QAT3555?Signal Boost 自適應(yīng)天線調(diào)諧器，以應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的天線數(shù)量，并確保支持多個(gè)頻段。與上一代天線調(diào)諧器相比，它支持 6 GHz 頻段，同時(shí)封裝高度和信號(hào)損耗降低了 25%。

商用 5G 天線如上述產(chǎn)品示例所示，針對(duì) 5G 設(shè)計(jì)難題的商用天線解決方案已開始進(jìn)入市場(chǎng)。以 5G 天線設(shè)計(jì)中與室內(nèi)覆蓋相關(guān)的更專業(yè)領(lǐng)域?yàn)槔?/p>

在這里，無線模塊和天線供應(yīng)商 Laird Connectivity 推出了一款室內(nèi) MIMO 天花板安裝天線 ，工作頻率范圍為 698-MHz 至 960-MHz 和 1,300-MHz 至 4,200-MHz 頻段。這CMD69423P?是一款雙端口 MIMO 天線，專為公司辦公室、零售商場(chǎng)、醫(yī)療設(shè)施、巴士總站和火車站等室內(nèi)環(huán)境而設(shè)計(jì)。

Laird 聲稱，CMD69423P 中的天線元件采用線性、垂直和水平組件設(shè)計(jì)，因此經(jīng)過優(yōu)化，可以在安裝在天花板上時(shí)以特定形狀的模式進(jìn)行輻射。此外，這種全向天花板安裝天線的強(qiáng)大輻射性能轉(zhuǎn)化為端口之間的低相關(guān)性。

諾基亞還聲稱已開發(fā)出基于 RF IC 的 mMIMO 天線，與傳統(tǒng)的 mMIMO 天線相比，這種天線更易于部署、更便宜、更小。例如，諾基亞用于 mMIMO 應(yīng)用的AirScale有源天線使用 64 個(gè)發(fā)射和 64 個(gè)接收天線元件，同時(shí)提供 320 W 的輸出功率。?

對(duì)于用于促進(jìn)大量無線帶寬的 mMIMO 天線，必須控制尺寸、重量和功耗。此外，由于緊湊型天線硬件的散熱，優(yōu)化多個(gè)天線元件可能非常復(fù)雜。

因此，諾基亞與移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商 Vodafone 攜手，圍繞其 mMIMO 有源天線解決方案進(jìn)行了廣泛的模擬，并展示了它們與使用無源天線和遠(yuǎn)程無線電頭端的無線電解決方案相比的優(yōu)勢(shì)。

商業(yè)解決方案的可用性表明，天線硬件已準(zhǔn)備好與其他射頻前端解決方案一起為 5G 革命服務(wù)。此外，與其他射頻前端構(gòu)建塊一樣，天線設(shè)計(jì)已達(dá)到更高的集成度，這在極其復(fù)雜的 5G 設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。

在商用 5G 開始逐步部署的時(shí)候，請(qǐng)注意天線功能在其對(duì)這一巨大工程挑戰(zhàn)的支持方面所處的位置。例如，除了無線電性能之外，還要仔細(xì)檢查 5G 天線是否滿足嚴(yán)格的線性要求并解決尺寸和功率限制。

審核編輯 黃昊宇